CN100502257C - 超宽带多址系统同步中抑制多用户干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超宽带多址系统同步中抑制多用户干扰的方法，属于无线个人区域网技术领域。本方法中，首先不同用户在超宽带多址系统中产生各自的训练码元；各用户在上述各自的训练码元后插入互不相同的空周期，构成新的训练码元；用户连续发送上述新的训练码元，以构成同步头；接收机根据期望用户的训练码元周期对接收到的同步头信号进行周期平均。本发明的方法能够在提高信噪比的同时就可以抑制干扰，不需要额外操作，还可以与任何实现同步的方法相结合，改善同步算法在多址干扰下的性能。

Description

超宽带多址系统同步中抑制多用户干扰的方法

技术领域

本发明涉及一种超宽带多址系统同步中抑制多用户干扰的方法，具体地说涉及到无线通信或定位系统中尤其是超宽带多址系统的训练序列设计方案，属于无线个人区域网(WPAN)技术领域。

背景技术

在超宽带(以下简称UWB)通信或定位系统中，接收机需要准确地知道脉冲将在何时到达，以便正确地接收信号或获取定位中所需的时间信息，因此接收机需要与接收的信号进行同步。

UWB系统多是分组传输的，即收发信机之间每次只传输一个数据包。为了辅助接收机实现同步，发射机在传输数据包的开头需要发送一段接收机已知的信号，这段已知信号通常被称为同步头或者训练序列(如图1所示)。在许多无线通信或定位系统中，训练序列由大量周期重复的训练码元组成(如图2所示)。

UWB系统中的训练码元主要采用周期较短(亚纳秒)且占空比较低的伪随机跳时(timehopping-TH)脉冲串，脉冲串的产生方法如同Moe Z.Win和Robert A.Scholtz的‘ImpulseRadio：How it Works’，IEEE Communications Letters，Vol.2，No.2，February 1998中描述的脉冲无线电(impulse radio-IR)的技术。由于UWB系统信号采用的是窄脉冲的形式，因此信号具有非常大的分辨能力，使得同步时的搜索空间非常大，为了保证接收机能够遍历到准确的同步位置，系统需要重复发送大量的训练码元完成搜索。

为了提高系统的保密性和降低对现存系统的干扰影响，一般UWB系统信号的发射功率比较低。经过多径信道后，信号能量被进一步分散，这使得同步时接收信号的信噪比非常低。为了保证同步性能，系统往往还需要对接收到的重复的训练码元进行多次平均来提高信噪比，这就需要系统进一步增加同步头的长度。

UWB多址系统中主要采用如同Robert A.Scholtz在‘Ultra-Wide BandwidthTime-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-AccessCommunications’，IEEE Transactions on communications，Vol.48，No.4，April 2000中描述的伪随机跳时(TH)技术区分不同用户，降低多用户干扰。如果需要进一步提高UWB系统同步时的提高抗多址干扰性能还需要进一步增加训练码元中跳时序列的长度，从而会进一步增加训练码元的长度，从而导致过长的同步头。

由于同步头中传输的都是已知信息，因此同步头过长不仅浪费系统的发射功率，还增加不同用户之间数据包碰撞的概率以及接收机对时偏和时变信道的敏感程度，从而降低了系统的性能和实际通信效率。

对于UWB系统同步存在的问题，当前的技术采用如同S.Vijayakumaran和T.F.Wong在‘A Search Strategy for Ultra-Wideband Signal Acquisition，’IEEE Transactions onCommunications，Vol.53，No.12，Dec.2005中采用的搜索策略来缩短同步所需的平均搜索时间。J.Furukawa，Y.Sanada和T.Kuroda的‘Novelinitial acquisition scheme forimpulse-based UWB systems’in Proc.2004 Intl.Workshop Ultra Wideband Systems，May2004，以及K.M.Chugg和M.Zhu，‘A new approach to rapid PN code acquisition usingiterative message passing techniques’in IEEE J.on SelectedAreas in Communications，vol.23，May 2005都从设计训练序列着手，通过两级捕获来减少捕获时间，从而减少同步头的长度。上面的方法在没有干扰的情况下可以获得较好的同步性能，但是当存在多用户干扰时，尤其干扰来自其他用户的同步头信号，同步性能会有较大下降。

D.J.Gargin在‘A Fast and Reliable Acquisition Schemefor Detecting Ultra Wide-BandImpulse Radio Signals inthe Presence of Multi-Pathand Multiple Access Interference’in Proc.2002 IEEE Conf.Ultra Wideband Systems Technology，2002和中国专利200580000012.3(超宽带同步搜索，2005年2月)公开了一种用于多址接入UWB系统同步的非连续搜索和全局最大选择和阈值混合(MAX/TC)算法。该算法通过统计相关器的输出量从而确定接收机相对接收信号的时间偏移，具有一定的抗干扰和噪声的性能，但是实现比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提出一种超宽带多址系统同步中抑制多用户干扰的方法，不同用户通过在发射的训练码元后插入不同的空周期，从而构成具有不同周期的训练码元然后连续发送，接收机对接收到的同步头按照期望用户的训练码元的周期进行平均就可以有效抑制同步时多用户的干扰。

本发明提出的超宽带多址系统同步中抑制多用户干扰的方法，包括以下步骤：

(1)不同用户在超宽带多址系统中产生各自的训练码元；

(2)各用户在上述各自的训练码元后插入互不相同的空周期，构成新的训练码元；

(3)各用户连续发送上述新的训练码元，以构成同步头；

(4)接收机根据期望用户的训练码元周期

对接收到的同步头信号r(t)进行N个周期平均，平均后的接收信号为：

$\stackrel{\‾}{r}\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(t+{\mathrm{mT}}_s^{\left(d\right)})$

上式中d为期望用户的编号，m为平均时接收码元的编号，N表示平均周期数。

本发明提出的超宽带多址系统同步中抑制多用户干扰的方法，具有以下优点：

1、抑制多用户干扰的实现方法简单，只需要对接收信号进行平均，在提高信噪比的同时就可以抑制干扰，不需要额外操作。

2、本发明方法可以与任何实现同步的方法相结合，改善同步算法在多址干扰下的性能。

附图说明

图1是无线通信系统中数据包的组成示意图。

图2是图1所示的数据包中同步头的组成示意图。

图3是本发明方法中产生的训练码元示意图。

图4是已有多址系统中所有用户的同步头结构示意图。

图5是已有系统中多用户干扰对接收信号平均的过程示意图。

图6是本发明方法中多址系统中所有用户的同步头结构示意图。

图7是本发明方法中多用户干扰对接收信号平均的过程示意图。

图8是已有的快速同步方法中同步头的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的超宽带多址系统同步中抑制多用户干扰的方法，首先不同用户在超宽带多址系统中产生各自的训练码元；各用户在上述各自的训练码元后插入互不相同的空周期，构成新的训练码元；各用户连续发送上述新的训练码元，以构成同步头；接收机根据期望用户的训练码元周期

对接收到的同步头信号r(t)进行N个周期平均，平均后的接收信号为：

$\stackrel{\‾}{r}\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(t+{\mathrm{mT}}_s^{\left(d\right)})$

上式中d为期望用户的编号，m为平均时接收码元的编号，N表示平均周期数。

以下结合附图和实施例对本发明方法作进一步说明。

在已有的超宽带多址系统中，训练码元形式如图3所示，采用脉冲无线电技术产生，其数学表达可由下式定义：

$p_s^{\left(k\right)}=\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\mathrm{\Σ}}}p(t-{\mathrm{jT}}_f-C_j^{\left(k\right)}{T}_c)$

k表示用户编号；

p(t)表示发射信号中单个脉冲波形；

T_f表示脉冲重复周期；

N_f表示跳时序列的长度，也是训练码元中包含脉冲的个数；

T_c表示码片的持续时间，表示脉冲在跳时的最小间隔；

N_c＝T_f/T_c表示每个脉冲重复周期中包含的码片个数；

j表示训练码元中的脉冲编号；

表示第k个用户的第j个脉冲使用的跳时码。

同步头由重复的训练码元构成，因此对应的同步头的表达式为：

$s^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{p}_s^{\left(k\right)}(t-{\mathrm{nT}}_s^{\left(k\right)})$

n表示同步头中的训练码元编号；

表示训练码元的重复周期。

在传统的UWB系统中，所有用户的训练码元的周期都相同，即 $T_s^{\left(k\right)}=T_s=N_f{T}_f,$ 这样产生的所有用户的同步头结构如图4所示。

由于UWB系统同步时接收信号信噪比低的特点，接收机需要对接收到的同步信号进行平均，平均的周期为则平均后的接收信号为：

$\stackrel{\‾}{r}\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(t+{\mathrm{mT}}_s^{\left(d\right)})$

上式中，r(t)接收到的同步信号，d表示期望用户的编号，m表示平均时接收码元的编号，N表示平均周期数。

图5表示已有系统中，当多用户干扰来自其他用户的同步头时，对此干扰信号进行平均的示意图，可见此时由于干扰的码元周期和平均周期相同，因此在平均时所有的码元具有相同的极性和延迟，能够同相叠加，产生最大的干扰。

本发明根据传统同步头结构存在的问题，提出了一种不同用户使用不同周期的训练序列设计方法，具体实现如图3所示，在传统系统产生的训练码元后插入空周期

空周期为码片周期的整数倍 $T_g^{\left(k\right)}=J^{\left(k\right)}{T}_c,$ 其中J^(k)表示任意整数。为了使得不同用户具有不同周期，需要确保不同用户的J^(k)不同。此时产生的所有用户的同步头结构如图6所示。

本发明方法对接收信号按照期望用户的码元周期进行平均，平均过程如图7所示，从图中的平均结果可以看出，由于所有信号在平均的过程中具有不相同的时延，因此可以抵消一部分极性相反的信号，从而降低多用户干扰产生的影响。这种方法不需要增加跳时序列的长度就可以具有较好的抑制干扰的性能，可以有效减少同步头的长度。

传统的系统为了实现快速同步，减少所需的同步头的长度，往往采用图8所示的同步头的结构进行分级同步，先在周期较短的短码上实现粗同步，然后在周期较长的长码上实现精同步。但是在有多址干扰的系统中，由于短码的周期较短，抗干扰能力差，因此实现快速捕获多以牺牲抗干扰性能为代价。利用本发明的方法，通过改变不同用户短码的周期，可以保证系统在实现快速同步的时候有效地抑制多用户干扰，从而解决UWB系统同步头过长的问题。

Claims (1)

1、一种超宽带多址系统同步中抑制多用户干扰的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)不同用户在超宽带多址系统中产生各自的训练码元；

(2)各用户在上述各自的训练码元后插入互不相同的空周期，构成新的训练码元；

(3)各用户连续发送上述新的训练码元，以构成同步头信号；

(4)接收机根据期望用户的上述步骤(2)的新的训练码元周期对接收到的上述同步头信号r(t)进行N个周期平均，平均后的接收信号为：

$\stackrel{\‾}{r}\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(t+m{T}_s^{\left(d\right)})$

上式中d为期望用户的编号，m为平均时接收码元的编号，N表示平均周期数。

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